
【電】 reciprocity theorem
【法】 barter; mutual transaction; permutation
theorem
【化】 theorem
【醫】 theorem
互易定理(Reciprocity Theorem)是電磁學與電路理論中的核心原理之一,其核心思想可概括為:線上性、無源且各向同性的系統中,若将激勵源與觀測點的位置互換,系統的響應特性保持不變。這一特性在工程領域具有廣泛的應用價值,尤其在射頻電路設計、天線輻射效率分析及電磁兼容測試中表現顯著。
從數學角度,互易定理可表述為:對于兩個獨立電流源$I_1$和$I_2$,當分别作用于系統中的位置$A$和$B$時,滿足關系式: $$ int_V mathbf{E}_2 cdot mathbf{J}_1 dV = int_V mathbf{E}_1 cdot mathbf{J}_2 dV $$ 其中$mathbf{E}_i$為電流源$mathbf{J}_i$産生的電場分布。該公式揭示了電磁場系統的對稱性本質(來源:IEEE Transactions on Antennas and Propagation)。
工程實踐中,互易定理的典型應用包括:
值得關注的是,互易定理的成立需要嚴格滿足三個前提條件:系統線性度(排除鐵磁材料等非線性元件)、無源特性(不含獨立能量源)及各向同性(介質參數無方向依賴性)。現代研究已将該定理拓展至光子晶體等新型材料體系(來源:Physical Review Applied)。
互易定理是物理學和電路理論中的重要原理,其核心思想是描述系統中激勵與響應在特定條件下的對稱關系。以下是綜合多個領域的詳細解釋:
互易定理指:在滿足條件的線性系統中,激勵源與響應位置互換後,系統的響應與激勵的比值保持不變。例如在電路中,若電壓源與電流表位置互換,電流表的讀數不變。該定理體現了系統的對稱性,與諾特定理中的“對稱性對應守恒定律”相關聯。
以力學中的Betti第一互易定理為例: $$ iiint_V (vec{f} - rho ddot{vec{u}}) cdot vec{v} , dV + iint_S vec{T} cdot vec{v} , dS = iiint_V (vec{g} - rho ddot{vec{v}}) cdot vec{u} , dV + iint_S vec{T} cdot vec{u} , dS $$ 該式表明兩組力($vec{f}$和$vec{g}$)在對方位移場($vec{u}$和$vec{v}$)上的功相等。
互易定理簡化了複雜系統的分析,例如:
注意:具體應用需結合領域特性,例如電路中的三種互易形式(電壓-電流、電流-電壓、混合型)需通過特勒根定理推導。
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